飞秒激光脉冲诱导材料微结构

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1、上海大学硕士学位论文原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：猢日期：坦丑：笸丛二_本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)m日期：乏!堕：!：!乎上海大学硕士学位论文1．1引言

2、第一章综述纳米微粒的尺度处于原子簇和宏观物体的交界区域，具有奇异的光学、热学、电磁学性质。新兴的纳米科学和纳米工程领域中，一个引人瞩目的技术就是按照人的意志和需要精确的搬迁原子和分子，构筑新的纳米结构。因此如何制备具有特定尺寸形状的纳米材料一直是科技领域的热点问题。微结构光学现象的深入研究和光子系统的微结构化已在国际上成为信息光子学的最基本的前沿研究方向之一。近年来飞秒激光技术迅速发展，利用飞秒激光脉冲与物质表面相互作用形成纳米结构的研究吸引了广泛关注。由于飞秒激光烧蚀能精确控制能量密度阈值，具有较小的热扩散范围，因此飞秒

3、激光成为亚微米范围微加工的有效工具。自20世纪70年代末期以来，国内外在这方面的研究一直都比较活跃。自1965年，Birnbaum[1】等在半导体表面诱导出规则波纹结构之后，人们在金属【2—7】、半导体【8—20]，电介质[21-34]等表面做了大量研究。近年来飞秒激光技术迅速发展，利用飞秒激光脉冲与物质表面相互作用形成纳米结构的研究吸引了广泛关注。由于飞秒激光烧蚀能精确控制能量密度阈值，具有较小的热扩散范围，因此飞秒激光成为亚微米范围微加工的有效工具。为了研究飞秒激光脉冲与物质表面相互作用后的物理和化学性质，人们采用了不

4、同的测量手段，包括扫描电子显微镜(SEM)，动摩擦原子力显微镜(AFM)，透射电子显微镜(TEM)，俄歇电子能谱(AES)，X射线分析仪(ED)【)等。大量研究发现在材料表面形成规则的周期性纳米结构(如波纹)，其特征尺寸远小于激光波长。为了解释这种现象，人们对于不同的材料和激光条件提出了不同的理论模型，包括干涉模型，库仑爆炸．自组织模型，分子动力学模型等，对于飞秒激光脉冲在材料表面烧蚀形成周期性纳米结构的机理解释还在讨论之中。利用飞秒激光辐照材料表面形成纳米结构是一种非常有效的制备纳米有序排列的方法，这方面的研究有望在光制

5、光栅，光波导，光子晶体，镀层摩擦优化，微电子器件等方面得到应用。3上海大学硕士学位论文1．2飞秒激光脉冲与不同材料表面相互作用1．2．1金属在过去的三十年里，人们对激光辐射金属表面产生的结果做了大量研究。早期在金属表面诱导的纳米结构是用连续激光产生的，S．R．J．Brueck等在利用光化学方法沉积金属薄膜时，用心离子微瓦激光器输出的514．5nm连续激光，偏振处理后辐照在硅基片的的镉薄膜上，扫描电镜(SEM)发现辐照区域出现以211．7为周期的波纹，并且波纹排列方向与激光偏振方向垂直。当旋转激光偏振方向时，发现波纹对应旋转

6、【2】。如图1．1所示。(a)(b)图1．1二氧化硅基片上200nm厚的镉薄膜激光辐照后波纹的SEM图像，(a)观察方向与法线夹角为600，(b)在法线方向。图中箭头方向为激光偏振方向根据不同时间段内的SEM图像，可以发现这种纳米结构的形成分为几个生长阶段。首先在辐照的中心区域形成lOOnm厚的波纹结构，方向垂直于激光偏振方向，随后这种结构迅速扩展到辐照区域的边缘。在生长的最后阶段，开始出现平行于激光偏振方向的弱波纹结构。S．＆J．Bmeck指出，这种波纹结构的形成来自于吸收层的光解作用，由于实验中辐照样品所用的激光为连续

7、激光，因此烧蚀机制主要为热破坏机制，烧蚀形貌与表面温度梯度分布有关。kSokolowski-T'mten【3】等利用脉宽lOOfs，波长620hm的激光脉冲，以1．2J／era2的功率密度入射到lOOnmm厚的铝薄膜上，SEM发现辐照区域出现清晰的圆环结构。在初始的l皮秒内，材料的光学反射率从晶体相的数值上升为金属性流体的数值，反射率的迅速增加说明在激光辐照时出现一个超快的非热结构相变过程。对比飞秒激光，Vuji．Kawakawi等利用Nd：YAG调Q激光器通过l／44上海大学硕士学位论文波片和1／2波片输出8ns，106

8、4nm线偏振激光，在高纯氦气保护下以20Hz的重复频率辐照钨单晶600个脉冲，通过SEM和AFM发现在激光辐照点周围出现超细粒子的耦合排列，排列类型分为六角形结构和立方结构【4】。这些超细粒子间隔1“m，高度约为300nm，它们的排列结构与入射光束偏振方向无关。在以较大的入射角辐照样品时，同样的实验条件